摘要：闡述了步進電機的細分驅動原理，介紹了單片機控制的放大型、斬波式、脈寬調制式等步進電機細分驅動電路的結構和控制原理，指出了各種驅動電路的應用場合和對步進電機細分驅動的相電流控制策略
關鍵詞：步進電機；細分驅動；放大型；斬波式；脈寬調制式
步進電機作為一種電脈沖——角位移的轉換元件，由于具有價格低廉、易于控制、無積累誤差和計算機接口方便等優(yōu)點，在機械、儀表、工業(yè)控制等領域中獲得了廣泛的應用。但是由于受制造工藝的影響，步進電機的步距角一般較大，而且還存在低頻振動，在低頻時有明顯的“步進”感［1］。這些缺點使步進電機一般只能應用在一些要求較低的場合。
步進電機細分驅動技術是70年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅動控制技術。1975年美國學者T.R. Fredriksen首次在美國增量運動控制系統(tǒng)及器件年會上提出了步進電機步距角細分的控制方法［2］。在其后的二十多年里，步進電機細分驅動技術得到了很大的發(fā)展，并在實踐中得到廣泛的應用。實踐證明，步進電機細分驅動技術可以減小步進電機的步距角，提高電機運行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等［1，3，4］。
1 步進電機細分驅動原理［5］
步進電機的驅動是靠給步進電機的各相勵磁繞組輪流通以電流,實現(xiàn)步進電機內部磁場合成方向的變化來使步進電機轉動的。圖1是三相反應式步進電機的磁場矢量圖。圖中的矢量TA，TB，TC為步進電機A，B，C三相勵磁繞組分別通電時產(chǎn)生的磁場矢量,TAB，TBC，TCA為步進電機中AB，BC，CA兩相同時通電產(chǎn)生的合成磁場矢量。從圖1a中可以看出，當給步進電機的A，B，C三相輪流通電時,步進電機的內部磁場從TA變化到TB再變化到TC，即磁場產(chǎn)生了旋轉。一般情況下,當步進電機的內部磁場變化一周(360°角)時,電機的轉子轉過一個齒距,因此,步進電機的步距角θB可表示為
式中，Nr為步進電機的轉子齒數(shù)；θM為步進電機運行時兩相鄰穩(wěn)定磁場之間的夾角。
圖1 三相步進電機磁場矢量圖
θM與電機的相數(shù)(m)和電機的運行拍數(shù)有關。例如在圖1a中，電機以單三拍方式運行，θM=120°；在圖1b中，電機以三相六拍方式運行，θM=60°，和單三拍方式相比，θM和θB都減小了一倍，實現(xiàn)了步距角的二細分。但是在通常的步進電機驅動線路中,由于通過各相繞組的電流是個開關量，即繞組中的電流只有零和某一額定值兩種狀態(tài)，相應的各相繞組產(chǎn)生的磁場也是一個開關量，只能通過各相的通電組合來減小θM和θB，這樣可達到的細分數(shù)很有限。以三相反應式步進電機為例,最多只能實現(xiàn)二細分，對于相數(shù)較多的步進電機可達到的細分數(shù)稍大一些，但也很有限。因此要使可達到的細分數(shù)較大,就必須能控制步進電機各相勵磁繞組中的電流,使其按階梯上升或下降,即在零到最大相電流之間能有多個穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)，相應的磁場矢量幅值也就存在多個中間狀態(tài)，這樣相鄰兩相或多相的合成磁場的方向也將有多個穩(wěn)定的中間狀態(tài)。圖2給出了三相步進電機八細分時的各相電流狀態(tài)。由于各相電流是以1/4的步距上升或下降的,在圖1a中的TA，TB中間又插入了七個穩(wěn)定的中間狀態(tài)，原來一步所轉過的角度θB將由八步完成，實現(xiàn)了步距角的八細分。由此可見，步進電機細分驅動的關鍵在于細分步進電機各相勵磁繞組中的電流。
圖2 三相步進電機八細分時的各相電流狀態(tài)圖
2 步進電機細分驅動電路［1，6～10］
為了對步進電機的相電流進行控制，從而達到細分步進電機步距角的目的，人們曾設計了很多種步進電機的細分驅動電路。最初，對電機相電流的控制是由硬件來實現(xiàn)的，每一相繞組的相電流用n個晶體管構成n個并聯(lián)回路來控制,靠晶體管導通數(shù)的組合來控制相電流。這種細分驅動電路線路復雜,體積大,成本高,而且電路一旦制造出來就難以改變其細分數(shù),缺乏柔性,因此在目前的實際應用中已很少采用這種方法。
隨著微型計算機的發(fā)展， 特別是單片計算機的出現(xiàn)， 為步進電機的細分驅動帶來了便利。目前，步進電機細分驅動電路大多數(shù)都采用單片微機控制，它們的構成框圖如圖3所示。單片機根據(jù)要求的步距角計算出各項繞組中通過的電流值，并輸出到數(shù)模轉換器(D/A)中，由D/A把數(shù)字量轉換為相應的模擬電壓，經(jīng)過環(huán)形分配器加到各相的功放電路上，控制功放電路給各相繞組通以相應的電流，來實現(xiàn)步進電機的細分。
圖3 單片機控制的步進電機細分驅動電路的結構框圖
單片機控制的步進電機細分驅動電路根據(jù)末級功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開關型兩種。放大型步進電機細分驅動電路中末級功放管的輸出電流直接受單片機輸出的控制電壓控制，電路較簡單，電流的控制精度也較高，但是由于末級功放管工作在放大狀態(tài)，使功放管上的功耗較大，發(fā)熱嚴重，容易引起晶體管的溫漂，影響驅動電路的性能。甚至還可能由于晶體管的熱擊穿，使電路不能正常工作。因此該驅動電路一般應用于驅動電流較小、控制精度較高、散熱情況較好的場合。
開關型步進電機細分驅動電路中的末級功放管工作在開關狀態(tài)，從而使得晶體管上的功耗大大降低，克服了放大型細分電路中晶體管發(fā)熱嚴重的問題。但電路較復雜，輸出的電流有一定的波紋。因此該驅動電路一般用于輸出力矩較大的步進電機的驅動。隨著大輸出力矩步進電機的發(fā)展，開關型細分驅動電路近年來得到長足的發(fā)展。
目前，最常用的開關型步進電機細分驅動電路有斬波式和脈寬調制（PWM）式兩種。斬波式細分驅動電路的基本工作原理是對電機繞組中的電流進行檢測，和D/A輸出的控制電壓進行比較，若檢測出的電流值大于控制電壓，電路將使功放管截止，反之，使功放管導通。這樣，D/A輸出不同的控制電壓，繞組中將流過不同的電流值。脈寬調制式細分驅動電路是把D/A輸出的控制電壓加在脈寬調制電路的輸入端，脈寬調制電路將輸入的控制電壓轉換成相應脈沖寬度的矩形波,通過對功放管通斷時間的控制, 改變輸出到電機繞組上的平均電流。由于電機繞組是一個感性負載，對電流有一定的濾波作用，而且脈寬調制電路的調制頻率較高，一般大于20 kHz，因此,雖然是斷續(xù)通電，但電機繞組中的電流還是較平穩(wěn)的。和斬波式細分驅動電路相比，脈寬調制式細分驅動電路的控制精度高、工作頻率穩(wěn)定，但線路較復雜。因此，脈寬調制式細分驅動電路多用于綜合驅動性能要求較高的場合。
脈寬調制式細分驅動電路的關鍵是脈寬調制,它的作用是將給定的電壓信號調制成具有相應脈沖寬度的矩形波。目前脈寬調制電路有模擬和數(shù)字之分，本文以模擬脈寬調制電路來說明脈寬調制的原理。圖4為脈寬調制電路的原理圖和波形圖，鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生周期為T的鋸齒波信號Uw，加在比較器的反向輸入端，控制電壓Ug加在比較器的正相輸入端，在t1期間，Ug＞Uw，比較器的輸出為高電平，在t2期間，Ug＜Uw，比較器的輸出為低電平。由波形圖可以看出，t1的寬度取決于控制電壓Ug的大小，Ug越大，t1越大，相應的輸出脈沖寬度也越寬。只要鋸齒波的線性很好，則輸出的脈沖寬度和控制電壓Ug將成很好的線性關系。輸出脈沖串的周期等于鋸齒波的周期T。
圖4 脈寬調制電路的原理及波形圖
3 步進電機細分的控制策略［10～13］
由步進電機的細分原理可知，步進電機的細分控制從本質上講是通過對步進電機的勵磁繞組中電流的控制,使步進電機內部的合成磁場按某種要求變化，從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分。最初的步進電機細分驅動只是對電機的繞組電流加以簡單地控制，如控制電流均勻上升、下降等，顯然，這樣簡單控制的結果將使細分之后的步距角很不均勻。隨著步進電機細分驅動技術的發(fā)展，如何通過改進電機相電流的控制策略來增加細分的均勻性，提高運行的穩(wěn)定性，減小運動噪聲及振動等越來越受到人們的重視，并取得了很大進展。有關研究和實驗證明，對于不同類型和相數(shù)的步進電機應采取不同的電流控制策略。例如有關資料指出，對于兩相雙極型混合式步進電機，采用正余弦形的驅動電流較為理想，而對于反應式步進電機一般采用諧波較少的階梯型驅動電流較為理想。
為了使步進電機細分驅動后力矩恒定而微步距均勻，近年來又提出了步進電機的恒力矩均勻細分的相電流控制策略。一般情況下，電機內部合成磁場矢量的幅值決定了電機旋轉力矩的大小,而相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。恒力矩均勻細分控制就是通過合理地控制步進電機的相電流，使電機內部的合成磁場在空間作幅值恒定的均勻旋轉運動。
步進電機均勻細分控制時相電流的通用計算公式為
式中Im為電機的額定電流，θ為A，B兩相的合成磁場矢量與A相磁場矢量的夾角，β為相鄰兩相繞組單獨通電時產(chǎn)生的磁場矢量之間的夾角，即TA，TB之間的夾角，它一般與步進電機的類型及相數(shù)有關。對于三相反應式步進電機有β=2π/3，則式（2）可寫為
對于兩相雙極型混合式步進電機有β=π/2，則（2）可寫為
雖然公式（2）從理論上推導出了步進電機均勻細分時相電流的變化規(guī)律，但該公式在推導過程中,假設步進電機中的相電流與磁場幅值之間成線性關系。然而實際上,步進電機中的相電流與磁場幅值是非線性關系關系的,而且還存在磁滯現(xiàn)象等。因而在使用時必須對式(2)進行修正。
作者單位：佛山科學技術學院 機電及自動化工程系，廣東 佛山 528000
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